معنى PIN (Post-Intrinsic-Negative) هو أنه يتم إدراج طبقة من مادة أشباه الموصلات ذات تركيز منشط منخفض جدًا (مثل Si) بين النوع P- والنوع N- من مواد أشباه الموصلات. يُشار إلى هذه الطبقة على أنها I (جوهرية) وتسمى المنطقة الجوهرية. هيكل أرقم التعريف الشخصي الضوئييظهر (PIN-PD) في الشكل الأيسر. في الشكل، بعد دخول الضوء الساقط من المنطقة P*، يتم امتصاصه ليس فقط في منطقة الاستنفاد ولكن أيضًا خارج منطقة الاستنفاد. تشكل هذه الامتصاصات عنصر الانتشار في التيار الضوئي. على سبيل المثال، تنتشر الإلكترونات الموجودة في منطقة P* أولاً إلى الحد الأيسر لمنطقة النضوب ثم تمر عبر منطقة النضوب لتصل إلى منطقة N*. وبالمثل، تنتشر الثقوب الموجودة في المنطقة N' إلى الحدود اليمنى لمنطقة الاستنفاد قبل المرور عبر منطقة الاستنفاد للوصول إلى المنطقة P*. يُطلق على التيار الكهروضوئي في منطقة النضوب اسم مكون الانجراف، ويعتمد وقت انتشاره بشكل أساسي على عرض منطقة النضوب. من الواضح أن وقت انتشار مكون تيار الانتشار أطول من وقت انتشار مكون تيار الانجراف. ونتيجة لذلك، يتم إطالة الحافة الخلفية لنبض تيار الإخراج للكاشف الضوئي، وسيؤثر التأخير الزمني الناتج على سرعة استجابة الكاشف الضوئي.
إذا كانت منطقة النضوب ضيقة، فإن معظم الفوتونات ستصل إلى منطقة N+ قبل أن تمتصها منطقة النضوب. وفي هذه المنطقة، يكون المجال الكهربائي ضعيفًا جدًا ولا يستطيع فصل الإلكترونات والثقوب، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة الكمومية نسبيًا.
يؤدي عرض منطقة الاستنفاد الأضيق *w* إلى زيادة سعة الوصلات وثبات وقت RC أكبر، وهو ما يضر بنقل البيانات بسرعة عالية-.
بالنظر إلى زمن الانجراف وتأثيرات سعة الوصلة، يمكن التعبير عن عرض النطاق الترددي للثنائي الضوئي على النحو التالي:
في الصيغة، ر1هي مقاومة الحمل.
يوضح التحليل أعلاه أن زيادة عرض منطقة النضوب أمر ضروري.
كما هو موضح في الشكل أعلاه، فإن عرض منطقة I-أكبر بكثير من عرض منطقتي P+ وN+. ولذلك، يتم امتصاص المزيد من الفوتونات في المنطقة I-، مما يزيد من الكفاءة الكمية مع الحفاظ على تيار انتشار صغير. يمكن ضبط جهد التحيز العكسي للثنائي الضوئي PIN على قيمة أصغر لأن سمك منطقة الاستنفاد الخاصة به يتم تحديده بشكل أساسي من خلال عرض المنطقة I-.
وبطبيعة الحال، فإن منطقة I-الأوسع ليست دائمًا الأفضل. يؤدي العرض الأكبر (w) إلى وقت انجراف أطول للموجات الحاملة في منطقة الاستنفاد، مما يحد من عرض النطاق الترددي. ولذلك، فمن الضروري النظر الشامل. نظرًا لأن مواد أشباه الموصلات المختلفة لها معاملات امتصاص مختلفة لأطوال موجية مختلفة من الضوء، فإن عرض المنطقة الجوهرية (I-) يختلف. على سبيل المثال، يبلغ عرض منطقة I- للثنائي الضوئي Si PIN حوالي 40 مم، بينما يبلغ عرض المنطقة للثنائي الضوئي InGaAs PIN حوالي 4 مم. يحدد هذا النطاقات الترددية المختلفة ونطاقات الطول الموجي للكاشفات الضوئية المصنوعة من هاتين المادتين المختلفتين: تُستخدم الثنائيات الضوئية Si PIN في النطاق 850 نانومتر، بينما تُستخدم الثنائيات الضوئية InGaAs PIN في النطاقين 1310 نانومتر و1550 نانومتر.
(APD) الثنائي الضوئي الانهيار
APD (Avalanche Photodiode) هو كاشف ضوئي حساس للغاية يستخدم تأثير الانهيار الجليدي لمضاعفة التيار الضوئي. مبدأ تأثير الانهيار الجليدي هو كما يلي: يولد ضوء الإشارة العارضة أزواجًا أولية من الإلكترون - في APD. نظرًا لجهد الانحياز العكسي العالي المطبق على APD، تتسارع أزواج الفتحات الإلكترونية- هذه تحت تأثير المجال الكهربائي، مما يكتسب طاقة حركية كبيرة. عندما تصطدم مع ذرات محايدة، تكتسب الإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ للذرات المحايدة طاقة وتنتقل إلى نطاق التوصيل، وبالتالي تولد أزواج ثقب إلكترون - جديدة، تسمى أزواج ثقب الإلكترون - الثانوية. يمكن أيضًا أن تتصادم هذه الموجات الحاملة الثانوية مع ذرات محايدة أخرى تحت مجال كهربائي قوي، مما يؤدي إلى توليد أزواج ثقب إلكترونية جديدة -، وبالتالي تحفيز عملية الانهيار الجليدي التي تنتج حاملات جديدة. بمعنى آخر، يولد فوتون واحد في النهاية العديد من الموجات الحاملة، مما يؤدي إلى تضخيم الإشارة الضوئية داخل APD. من الناحية الهيكلية، يكمن الفرق بين APD والصمام الضوئي PIN في إضافة طبقة P إضافية. يظهر هيكل APD في الشكل 3-18. عند الانحياز العكسي، يوجد مجال كهربائي قوي في الوصلة PN المحصورة بين الطبقة I والطبقة N*. بمجرد دخول ضوء الإشارة الساقطة إلى المنطقة I من المنطقة P* اليسرى، يتم امتصاصه في المنطقة I لتوليد أزواج ثقب الإلكترون. تنجرف الإلكترونات الموجودة في المنطقة I بسرعة إلى منطقة الوصلة PN، ويؤدي المجال الكهربائي القوي في الوصلة PN إلى إنتاج الإلكترونات لتأثير انهيار جليدي.
من الناحية الهيكلية، يكمن الفرق بين APD والصمام الضوئي PIN في إضافة طبقة إضافية، P. يظهر هيكل APD في الشكل الصحيح. في ظل الانحياز العكسي، يوجد مجال كهربائي قوي في الوصلة PN المحصورة بين الطبقتين I وN+. بمجرد دخول ضوء الإشارة الساقطة إلى المنطقة I من منطقة P+ اليسرى، يتم امتصاصه في المنطقة I، مما يؤدي إلى توليد أزواج ثقب إلكترونية -. تنجرف الإلكترونات بسرعة إلى منطقة تقاطع PN، ويسبب المجال الكهربائي القوي في تقاطع PN تأثيرًا جليديًا.
بالمقارنة مع الثنائيات الضوئية PIN، يتم تضخيم التيار الضوئي داخليًا بواسطة APD، وبالتالي تجنب الضوضاء التي تسببها الدوائر الخارجية. من منظور متوسط إحصائي، بافتراض أن فوتونًا واحدًا يولد حاملات M، فإن هذا يساوي نسبة التيار الكهروضوئي الذي أخرجه بعد الانهيار الجليدي APD إلى التيار الكهروضوئي الأولي I قبل الضرب.
في الصيغة، يسمى M عامل الضرب.
ويرتبط عامل الضرب بمعدل التأين لحاملات الشحنة، والذي يشير إلى متوسط عدد أزواج الثقوب الإلكترونية- المتولدة لكل وحدة مسافة انجراف. يختلف معدل تأين الإلكترون ومعدل تأين الثقب، ويُشار إليهما بـ ₀ و₂، على التوالي. وهي ترتبط بعوامل مثل جهد التحيز العكسي، وعرض منطقة النضوب، وتركيز المنشطات، ويشار إليها بـ ₀.
في الصيغة، k هو معامل التأين، وهو مقياس لأداء الكاشف الضوئي.
يمكن إعطاء تأثير معدل التأين على M بالصيغة التالية:
عندما=0، تشارك الإلكترونات فقط في عملية الانهيار الجليدي، M=e^(-ω)، ويزداد الكسب بشكل كبير مع ω. عندما ω=1 و -1، وفقًا للمعادلة (3-26)، M → ∞، يحدث انهيار جليدي. عادة، تتراوح قيمة M من 10 إلى 500. ويحدث انهيار الانهيار الجليدي في APD لأن جهد التحيز العكسي المطبق كبير جدًا. بالنظر إلى العلاقة الوثيقة بين M وجهد التحيز العكسي، تُستخدم عادة صيغة تجريبية لوصف العلاقة بينهما، أي:
في الصيغة، n هو مؤشر الخصائص المعتمد على درجة الحرارة، n=2.5~7; Un هو جهد انهيار الانهيار الجليدي، والذي يتراوح من 70 إلى 200 فولت لمواد أشباه الموصلات المختلفة؛ U هو جهد التحيز العكسي، والذي يتم اعتباره عمومًا من 80% إلى 90% من UgR. عند استخدام APD، من الضروري التأكد من أن جهد التشغيل يظل أقل من جهد الانهيار الجليدي لتجنب إتلاف الجهاز.
